沟槽形貌监控方法以及沟槽形貌监控结构制作方法

摘要

本发明提供一种沟槽形貌监控方法以及沟槽形貌监控结构制作方法，利用线宽测量工具测量沟槽形貌监控结构中第二沟槽的顶部宽度以及底部宽度，利用台阶测试仪测量第一沟槽的深度，根据所述第一沟槽的深度获得所述第二沟槽的深度，并根据所述第二沟槽的顶部宽度、底部宽度以及所述第二沟槽的深度，利用正切定理获得所述第二沟槽的倾斜度，由所述第二沟槽的顶部宽度、底部宽度以及倾斜度判断产品沟槽的顶部宽度、底部宽度以及倾斜度，进而在不破坏芯片的前提下监控产品沟槽的形貌。

说明书

技术领域

本发明属于集成电路制造技术领域，尤其涉及一种沟槽形貌监控方法 以及沟槽形貌监控结构制作方法。

背景技术

沟槽工艺常用于制作栅极或者隔离技术中，在近年发展的超结工艺中， 沟槽工艺还运用于超结工艺中的P、N型掺杂。在沟槽工艺运用中，其深度、 宽度及倾斜度等参数都会对器件的参数和功能有至关重要的影响。

沟槽工艺的运用很大程度上就是使原胞面积缩小，所以沟槽工艺中沟 槽的密度很大、宽度很小，用常规设备和方法分析沟槽形貌由于线宽的问 题往往受到制约，在实际分析中，沟槽形貌的分析通常是使用SEM断面确 认，然而这属于破坏性分析手段。如何在不报废芯片的前提下，得到较精 确的沟槽形貌数据是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种沟槽形貌监控结构、监控方法及制作方法， 在不破坏芯片的前提下获得沟槽形貌数据。

为解决上述问题，本发明提供一种沟槽形貌监控方法，包括：

提供一沟槽形貌监控结构，所述沟槽形貌监控结构包括形成于半导体 衬底中的第一沟槽和第二沟槽，其中，形成所述第二沟槽的掩膜板图形与 形成产品沟槽的掩膜板图形相同，形成所述第一沟槽的掩膜板图形的宽度 大于形成所述第二沟槽的掩膜板图形的宽度，所述第一沟槽和第二沟槽采 用相同的刻蚀程序形成；

利用线宽测量工具测量所述第二沟槽的顶部宽度以及底部宽度，利用 台阶测试仪测量所述第一沟槽的深度；

根据所述第一沟槽的深度获得所述第二沟槽的深度；以及

根据所述第二沟槽的顶部宽度、底部宽度以及所述第二沟槽的深度， 利用正切定理获得所述第二沟槽的倾斜度，进而监控产品沟槽的形貌。

可选的，在所述的沟槽形貌监控方法中，根据以下公式获得第二沟槽 的深度：

h1＝log_am1；

h2＝log_am2；

其中，h1为所述第一沟槽的深度，h2为所述第二沟槽的深度，m1为 形成所述第一沟槽的掩膜板图形的宽度，m2为形成所述第二沟槽的掩膜板 图形的宽度，a为对数函数的底数。

可选的，在所述的沟槽形貌监控方法中，将所述第一沟槽的深度作为 所述第二沟槽的深度。

可选的，在所述的沟槽形貌监控方法中，所述第一沟槽的底部宽度大 于台阶测试仪的最小探针直径，所述沟槽形貌监控结构的测量窗口大于最 小探针直径与两倍的最小步距之和。

可选的，在所述的沟槽形貌监控方法中，所述线宽测量工具是光学显 微镜、线宽仪或CD-SEM。

本发明还提供一种沟槽形貌监控结构，用于监控产品沟槽的倾斜度， 所述沟槽形貌监控结构包括形成于半导体衬底中的第一沟槽和第二沟槽， 其中，形成所述第二沟槽的掩膜板图形与形成产品沟槽的掩膜板图形相同， 形成所述第一沟槽的掩膜板图形的宽度大于形成所述第二沟槽的掩膜板图 形的宽度，所述第一沟槽和第二沟槽采用相同的刻蚀程序形成。

可选的，在所述的沟槽形貌监控结构中，所述第一沟槽的底部宽度大 于台阶测试仪的最小探针直径，所述沟槽形貌监控结构的测量窗口大于台 阶测试仪的最小探针直径与两倍的最小步距之和。

本发明更提供一种沟槽形貌监控结构的制作方法，包括：

提供一半导体衬底；

在所述半导体衬底中形成第一沟槽和第二沟槽；

其中，形成所述第二沟槽的掩膜板图形与形成产品沟槽的掩膜板图形 相同，形成所述第一沟槽的掩膜板图形的宽度大于形成所述第二沟槽的掩 膜板图形的宽度，所述第一沟槽和第二沟槽采用相同的刻蚀程序形成。

可选的，在所述的沟槽形貌监控结构的制作方法中，在所述半导体衬 底中形成第一沟槽和第二沟槽的步骤包括：

在半导体衬底上形成掩膜层；

在所述掩膜层上涂覆光阻层，并通过曝光以及显影工艺将对应第一沟 槽的掩膜板图形以及对应第二沟槽的掩膜板图形转移至所述光阻层中；

以所述光阻层为掩膜刻蚀所述掩膜层；

以所述掩膜层为掩膜刻蚀所述半导体衬底，形成第一沟槽和第二沟槽。

可选的，在所述的沟槽形貌监控结构的制作方法中，所述第一沟槽的 底部宽度大于台阶测试仪的最小探针直径，所述沟槽形貌监控结构的测量 窗口大于台阶测试仪的最小探针直径与两倍的最小步距之和。

本发明利用线宽测量工具测量沟槽形貌监控结构的第二沟槽的顶部宽 度以及底部宽度，利用台阶测试仪测量第一沟槽的深度，根据所述第一沟 槽的深度获得所述第二沟槽的深度，并根据所述第二沟槽的顶部宽度、底 部宽度以及所述第二沟槽的深度，利用正切定理获得所述第二沟槽的倾斜 度，由所述第二沟槽的顶部宽度、底部宽度以及倾斜度判断产品沟槽的顶 部宽度、底部宽度以及倾斜度，进而在不破坏芯片的前提下监控产品沟槽 的形貌。

附图说明

图1至图3是本发明实施例的沟槽形貌监控结构制作方法中的监控结 构剖面和俯视示意图；

图4是本发明实施例的沟槽形貌监控方法的流程示意图；

图5是本发明实施例的沟槽形貌监控结构的制作方法的流程示意图；

图6是本发明实施例的掩膜板图形宽度与所形成的沟槽的深度的相关 性示意图；

图7是本发明实施例所采用的掩膜板图形的示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附 图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本 发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以 在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具 体实施的限制。

本发明提供一种沟槽形貌监控结构，用于监控产品沟槽的倾斜度，所 述沟槽形貌监控结构包括形成于半导体衬底中的第一沟槽和第二沟槽，其 中，形成所述第二沟槽的掩膜板图形与形成产品沟槽的掩膜板图形相同， 形成所述第一沟槽的掩膜板图形的宽度大于形成所述第二沟槽的掩膜板图 形的宽度，所述第一沟槽和第二沟槽采用相同的刻蚀程序形成。

如图4所示，本发明还提供一种沟槽形貌监控方法，包括如下步骤：

S41：提供一沟槽形貌监控结构，所述沟槽形貌监控结构包括形成于半 导体衬底中的第一沟槽和第二沟槽，其中，形成所述第二沟槽的掩膜板图 形与形成产品沟槽的掩膜板图形相同，形成所述第一沟槽的掩膜板图形的 宽度大于形成所述第二沟槽的掩膜板图形的宽度，所述第一沟槽和第二沟 槽采用相同的刻蚀程序形成；

S42：利用线宽测量工具测量所述第二沟槽的顶部宽度以及底部宽度， 利用台阶测试仪测量所述第一沟槽的深度；

S43：根据所述第一沟槽的深度获得所述第二沟槽的深度；

S44：根据所述第二沟槽的顶部宽度、底部宽度以及第二沟槽的深度， 利用正切定理获得所述第二沟槽的倾斜度，进而监控产品沟槽的形貌。

如图5所示，本发明还提供一种沟槽形貌监控结构的制作方法，包括 如下步骤：

S51：提供一半导体衬底；

S52：在所述半导体衬底中形成第一沟槽和第二沟槽；其中，形成所述 第二沟槽的掩膜板图形与形成产品沟槽的掩膜板图形相同，形成所述第一 沟槽的掩膜板图形的宽度大于形成所述第二沟槽的掩膜板图形的宽度，所 述第一沟槽和第二沟槽采用相同的刻蚀程序形成。

本发明利用线宽测量工具测量沟槽形貌监控结构的第二沟槽的顶部宽 度以及底部宽度，利用台阶测试仪测量第一沟槽的深度，根据所述第一沟 槽的深度获得所述第二沟槽的深度，并根据所述第二沟槽的顶部宽度、底 部宽度以及所述第二沟槽的深度，利用正切定理获得所述第二沟槽的倾斜 度，由所述第二沟槽的顶部宽度、底部宽度以及倾斜度判断产品沟槽的顶 部宽度、底部宽度以及倾斜度，进而在不破坏芯片的前提下监控产品沟槽 的形貌。

下面结合图1至图7对本发明实施例的沟槽形貌监控结构的制作方法 以及沟槽形貌监控方法进行更详细描述。

如图1所示，提供半导体衬底100，并在所述半导体衬底100上形成掩 膜层110。所述半导体衬底100可以是硅衬底、锗硅衬底、Ⅲ-Ⅴ族元素化 合物衬底或本领域技术人员公知的其他半导体材料衬底。本实施例中采用 的是硅衬底。更具体地，本实施例中采用是形成功率器件常用的N型<100> 晶向的硅衬底。所述掩膜层110材料为氮化硅、氮氧化物或多晶硅中的一 种或者多种。本实施例中，所述掩膜层110材料为高温生长的氧化硅，可 知，生长温度越高，生长的氧化层质量越高，作为刻蚀沟槽的掩蔽效果越 好。所述掩膜层110的厚度例如为当然本发明并不限定掩 膜层的厚度。

如图2所示，在所述掩膜层100上涂覆光阻层，通过曝光以及显影工 艺将对应第一沟槽的掩膜板图形200a以及对应第二沟槽的掩膜板图形200b 转移至所述光阻层中，再以所述光阻层为掩膜刻蚀掩膜层110形成第一窗 口110a和第二窗口110b。在本发明优选实施例中，采用干法刻蚀工艺选择 性去除掩膜层，所述干法刻蚀工艺的过刻量大于150％，以保证打开区上的 掩膜层去除干净，否则后续的刻槽容易出现针刺异常。

其中，所述第一窗口110a对应形成第一沟槽的掩膜板图形，第二窗口 110b对应形成第二沟槽的掩膜板图形，形成第一沟槽的掩膜板图形和形成 第二沟槽的掩膜板图形均为方形，并且，形成第一沟槽的掩膜板图形和形 成第二沟槽的掩膜板图形的长度相同，形成所述第二沟槽的掩膜板图形与 形成产品沟槽的掩膜板图形相同，形成所述第一沟槽的掩膜板图形的宽度 大于形成所述第二沟槽的掩膜板图形的宽度。图2中110a’和110b’分别是 第一窗口110a和第二窗口110b的俯视图形，由俯视图来看，第一窗口110a 的长度L1与第二窗口110b的长度L2相同，第一窗口110a的宽度W1大 于第二窗口110b的宽度W2，且所述第一窗口110a的宽度W1大于台阶测 试仪最小测量宽度。本实施例中，所述第一窗口110a的宽度和长度均设置 为大于10μm，以利于后续测量其深度。

如图3所示，以所述掩膜层110为掩膜，刻蚀所述半导体衬底100，形 成第一沟槽100a和第二沟槽100b，其中，第一窗口110a对应形成第一沟 槽100a，第二窗口110b对应形成第二沟槽100b，最终形成沟槽形貌监控 结构。本实施例中，所述第一沟槽100a和第二沟槽100b的深度为 0.1～100μm，所述第一沟槽100a和第二沟槽100b的倾斜度为80～89.9度。 当然，本发明并不限定沟槽的深度和倾斜度。

本发明通过台阶测试仪测量第一沟槽100a的深度，通过第一沟槽100a 的深度来判断第二沟槽100b的深度，第二沟槽100b模拟产品沟槽的实际 尺寸，其可以是与产品沟槽(即管芯区域实际产品的沟槽)尺寸一致的监 测沟槽，当然，由于利用台阶测试仪测量深度并不破坏产品结构，也可以 直接将管芯区域实际产品的沟槽作为第二沟槽，选择产品沟槽作为第二沟 槽，可以使后续测量、计算沟槽形貌相关参数时可以更准确反应出管芯中 沟槽结构形貌。其中，所述第一沟槽100a可以设置于划片道上，第二沟槽 100b则设置于管芯区域，当然，第二沟槽100b也可以设置于划片道上。

具体地说，台阶测试仪是通过其探针接触硅片，由探针探测的深度高 度反应出硅片的台阶形貌。如果沟槽的宽度小于台阶测试仪的最小探针直 径，探针无法到达沟槽的底部，就无法测量出沟槽的深度，因而本发明中 需使第一沟槽的底部宽度大于台阶测试仪的最小探针直径。由于探针测量 台阶形貌时，是通过一定步距时探针所接触硅片所反馈出的平整度来获取 结果，因而较佳的方案中，所述沟槽形貌监控结构的测量窗口至少大于最 小探针直径加上两倍的最小步距设置。

通过上述方法形成沟槽形貌监控结构之后，即可利用该沟槽形貌监控 结构进行沟槽倾斜度监控。

参考图3，首先，测量所述第二沟槽100b的顶部宽度W4以及底部宽 度W5，并利用台阶测试仪测量所述第一沟槽100a的深度。

图3中100a’和100b’所示分别为第一沟槽100a和第二沟槽100b的正 面俯视图。由于第二沟槽100b尺寸较小，经过刻蚀后具有倾斜度(相对于 竖直平面而言)，其剖面呈倒梯形，俯视则呈回字形，可利用高精度光学显 微镜、线宽仪或CD-SEM等线宽测量工具测量第二沟槽100b的俯视图形， 第二沟槽100b的俯视图形的外侧宽度即为第二沟槽100b的顶部宽度W4， 第二沟槽100b的俯视图形的内侧宽度即为第二沟槽100b的底部宽度W5。 第一沟槽100a的俯视图形的长度L3与第二沟槽100b的俯视图形的长度 L4相同。

由于沟槽刻蚀特性，相同的刻蚀程序下，越宽的沟槽其倾斜度越接近 90度，也即第一沟槽100a的宽度越大，其底部宽度越接近顶部宽度，沟槽 越直，本实施例中，第一沟槽100a由于尺寸较大，经过刻蚀后剖面图基本 呈方形，俯视图也为方形，因而不区分第一沟槽100a的顶部宽度和底部宽 度，统称为第一沟槽的宽度W3。当然，由于第一沟槽100a只是用于测量 其深度，因此即便第一沟槽100a经过刻蚀后也具有倾斜度，也不影响倾斜 度计算结果。

接着，根据第一沟槽100a的深度h1获得第二沟槽100b的深度h2。本 发明采用台阶测试仪测量第一沟槽100a的深度h1，进而获得与第一沟槽 100a采用相同刻蚀程序刻蚀形成的第二沟槽100b(本实施例中二者是采用 相同刻蚀程序且同时刻蚀形成)的深度h2。

经过本申请人发明人反复试验发现，在相同的刻蚀条件下，宽度较大 的掩膜板图形形成的沟槽的深度大于宽度较小的掩膜板图形形成的沟槽的 深度，并且，不同宽度的掩膜板图形所形成的沟槽的深度遵循一定的规律， 本发明通过在同一张掩膜板上制作多组不同线宽的图形，经过理论分析以 及多次试验得到掩膜板图形宽度与所形成的沟槽的深度的相关性。

图6所示为掩膜板图形宽度与所形成的沟槽的深度的相关性示意图。 其中，沟槽宽度在2.1～64μm之间，沟槽深度在32～54μm之间，将这些数 据点做成趋势图后，发现掩膜板图形宽度与所形成的沟槽的深度满足对数 关系。如此，可根据以下公式获得第二沟槽的深度：

h1＝log_am1；   公式(1)

h2＝log_am2；   公式(2)

其中，h1为所述第一沟槽100a的深度，h2为所述第二沟槽100b的深 度，m1为形成所述第一沟槽的掩膜板图形200a的宽度，m2为形成所述第 二沟槽的掩膜板图形200b的宽度，a为对数函数的底数，通过公式(1)计 算出a，通过公式(2)即可计算出h2。

由上可知，通过形成所述第一沟槽的掩膜板图形的宽度m1、形成所述 第二沟槽的掩膜板图形的宽度m2以及所述第一沟槽100a的深度h1即可计 算出所述第二沟槽100b的深度h2。

最后，即可根据第二沟槽100b的深度h2以及第二沟槽100b的顶部宽度 W4和底部宽度W5，利用正切定理计算出第二沟槽100b的倾斜角度θ，由于 形成所述第二沟槽的掩膜板图形与形成产品沟槽的掩膜板图形相同，通过 第二沟槽100b的倾斜角度θ，即可监控产品沟槽的倾斜度。

即，可根据以下公式计算第二沟槽100b的倾斜角度θ：

f＝1/2(W4-W5)；   公式(3)

TANθ＝h2/f；     公式(4)

利用上述方法获取第二沟槽100b的深度，从而计算第二沟槽的倾斜度， 可以最大程度的规避由于深度测量误差带来的倾斜度计算误差。

需要说明的是，在本发明其他实施例中，也可直接将所述第一沟槽的 深度作为所述第二沟槽的深度来计算沟槽倾斜度，如表1所示，利用本实 施例中计算倾斜度的方法，当沟槽的顶部和底部宽度测量出来后，以沟槽 顶部宽度为5.36μm、沟槽底部宽度为5.02μm为例，沟槽的深度变化10μm 情况下，其沟槽倾斜度只有0.24度的差别，亦在工艺监控的接受范围内。

表1

综上所述，本发明可以和产品流程结合，通过测量所形成第一沟槽中 的深度以及与产品沟槽尺寸相同的第二沟槽的顶部宽度和底部宽度，通过 计算得到较精确的倾斜度数据，由所述第二沟槽的顶部宽度、底部宽度以 及倾斜度判断产品沟槽的顶部宽度、底部宽度以及倾斜度，进而在不破坏 芯片的前提下监控产品沟槽的形貌。

本发明可以运用于对沟槽形貌有监控需求的任何半导体制造领域，例 如，可以运用于功率MOSFET、IGBT和MEMS等产品中。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求， 任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的 变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围 为准。